無速度傳感器矢量變頻器在塑料機械上節能改造

1 引言

我國已持續近兩年的電力供應短缺的現象，到2004年形勢更加嚴峻，上半年出現拉閘限電的省市區已經達到24個。今年上半年，電力需求受9.7%GDP增長拉動，繼續高速增長，并呈“工業用電繼續保持快速增長，高耗電行業用電增長居高不下”的特征。而電力供應能力則增加有限，出現持續供應不足的局面，致使電力供需矛盾緊張，缺電范圍和持續缺電地區進一步擴大。

我國是世界鞋業制造大國，制鞋企業約有2萬多家，其中福建是全國重要的塑料制鞋基地，每年鞋的產量和出口均名列前茅，泉州市先后引進1000多條制鞋流水線，晉江市是著名的“中國鞋都”，從皮革、鞋材、化工原料、數字制模都有專業廠家，現擁有鞋業生產經營企業3000多家，年產量7億多雙……

限電拉閘，已經嚴重影響企業的正常生產。今年1～7月，塑料成本的增長，使得中國塑料制造業競爭日益激烈。節能作為企業增效降耗、降低經營成本、提高競爭力的重要手段，已經顯得特別有意義，并逐步的被人們所認識和接受。

2 全自動圓盤式塑膠類射出成型機的工作原理

眾所周知，國內有大量臥式注塑機變頻節能改造的成功案例。制鞋企業的全自動圓盤式塑膠類射出成型機，是制鞋企業中主要的一種常見用電設備，人稱電老虎。我國是制鞋大國，有大量的制鞋設備，而目前涉及節能改造的單位比較少，主要原因是人們對全自動圓盤式塑膠類射出成型機的工作原理不太熟悉。

2.1全自動圓盤式塑膠類射出成型機（以下簡稱：圓盤機）的機械特點
1)本機械專用于生產各類高級單色、雙色和三色的運動鞋、休閑鞋鞋底，男女童鞋底等產品。
2)原料適用于生產發泡等各種熱可塑性之原料，如PVC、TPR等。
3)本機以電腦程序（單片機、PLC）控制，主、副機控制精確，操作簡單，保養容易。

2.2圓盤機與傳統的臥式注塑機的比較

1)液壓馬達
臥式注塑機和圓盤機的油泵都是定量泵。注塑過程中，油泵壓力高低變化頻繁，其中低壓維持過程的傳統處理方式是通過比例閥泄壓，而電機一直在工頻下全速運行。電能浪費非常嚴重。
2)按圓盤機的機型分，分為單色機和雙色機、三色機等機型。
其中單色機只有一臺主機，與臥式注塑機類似。
雙色機有一臺主機和一臺副機組成。副機負責射膠、熔膠、上模、下模等動作，主機包含了副機的動作，且多了一個圓盤旋轉的動作，實現模具的移動和定位。三色機有一臺主機和兩臺副機組成。
3)模具數量
臥式注塑機一般只有一套模具在工作，生產工藝在變更時，需要更換模具。
圓盤機按機型不同，模具的數量也不同，一般有18、20、24、30套模具。根據生產工藝，通過控制面板，設定模位使用有效與否。如：TY-322機型，24站模位（可安裝24個模具），生產中可按需要靈活選定全部或部分模具為有效模位）。圓盤機工作時，大轉盤執行高速順時針方向旋轉動作，PLC或單片機執行程序的運算，當只有檢測到有效模位時，PLC或單片機掃描到有減速信號時，轉盤開始減速。到達定位信號時，轉盤進行精確定位。否則，如果沒有檢測到有效模位時，大轉盤一直旋轉至下一有效模位.臥式注塑機只要有鎖模或開模信號，就會執行相關動作。
4)壓力調整方式
臥式注塑機和圓盤機的壓力調整方式都是壓力比例控制方式，但圓盤機（模具較多）各模射料壓力可以通過控制面板進行獨立設定，適用于不同射出量的產品制造。臥式注塑機生產每一產品，相關參數均一致。
5)模具工作方式
臥式注塑機工作時，固定模是不動的，只有活動模在有指令時執行左右鎖模或開模，呈左右直線運動。圓盤機工作時，固定模具和活動模具由大轉盤移動、定位。有鎖模和開模指令時，油缸執行上升或下降動作。取產品時，由操作人員人為的打開活動模具，取出產品。
6)圓盤（轉盤）
全自動圓盤式塑膠類射出成型機因轉盤是圓形而得名，簡稱圓盤機（鞋底機）。在圓盤上等分了若干等份。如TY-322被等分成了24個模位。若主機和副機都沒有檢測到有效模位時，并且主機和副機都處于開模狀時，PLC或單片機發出指令，圓盤由主機提供壓力，進行高速旋轉。系統自動檢測到有效模位，圓盤進行減速后精確定位。
7)冷卻方式
傳統的臥式注塑機有“冷卻時間”這個概念，模具上安裝了冷卻水循環，目的是保護模具和產品的冷卻。
圓盤機則不同，它沒有冷卻水循環系統，因為產品成型后，圓盤機本身的轉盤有一段時間處于旋轉狀態或待機狀態，另外機器上有安裝幾臺冷卻風機的方式，模具和產品進行冷卻。

2.3圓盤機工作原理

圓盤機的注塑過程中的鎖模、射料、熔膠、開模、圓盤快慢速等各個動作，對速度、壓力的要求都不一樣，它們由控制面板上的比例值設定，如：P1設定關模壓、P2設定射料一次壓、P3設定射料二次壓、P4設定進料壓。當圓盤機的流量壓力需求發生變化時，由設在油泵出口的比例閥（溢流閥）來調節負載壓力和流量，將多余的油高壓溢流回油箱。
單色圓盤機只有一臺主機，主要向系統提供壓力，完成射膠熔膠動作及鎖模開模動作，另外控制一個轉盤系統，完成模具的移動與定位。
雙色機既有主機、副機之分。它們主要由加熱、射膠、熔膠系統、鎖模系統組成。三色機則與雙色機類似，它有一臺主機，兩臺副機組成。主機負責圓盤的旋轉及定位。
圓盤機工作時分手動運行和自動運行兩部分。
手動運行時，操作人員必須提供相應的命令，圓盤機才會完成相應的動作。如射膠、熔膠、上模、下模、圓盤旋轉等動作。
自動運行時，各模位選用完成，進料量壓力、時間都設定完成且料管溫度加熱已到達后，將主機油泵啟動，將手動、自動開鎖切換至自動位置，按一次自動啟動按鍵即可進行自動步驟。
1)如果現在模位有使用，按自動啟動鍵后，進料量為這模設定量。若進料未達設定量，而有鎖模的動作。只允許快速鎖模動作，等進料到達設定量后才有慢速鎖模動作。鎖模停止后，執行射料、開模動作。
2)若現在模位不使用，按自動啟動鍵，則圓盤運行往下一有使用的模位，且進料的進料量到達，也以下一有使用的模位之設定量執行進料動作，轉盤定位后，快速鎖模（用時間設定），計時止，且進料時到達，執行慢速鎖模，鎖模停止后執行射料、開模動作。
3)主副機同時使用時，須等主、副機自動動作皆完成至開模止，圓盤才運行并旋轉至下一使用模位。
4)轉盤暫停在圓盤“慢速點”前動作時，圓盤即在“慢速點”檢出時，慢速至定位停止。若該模位有使用，定位后，這模動作會做鎖模等動作至開模為止。轉盤即不動作，但進料動作，會執行下一使用模次的進料，將轉盤暫停解除（順時針旋轉）圓盤即往下一模位移動。如果這模位未使用，則圓盤即在最近一模執行定位，直到解除轉盤暫停，方往下一模移動。
5)在自動運行中，將自動狀態切回手動狀態，除圓盤會執行慢速定位的動作外（圓盤在運行中作此切換）其他動作及時停止。可用手動操作復位。

2.4圓盤機的電能消耗主要表現在以下幾個部分
1)液壓系統油泵的電能消耗
2)加熱器的電能消耗
3)冷卻風機。

對于制鞋企業來說，電耗是其生產成本的主要部分，上述電能消耗中，液壓油泵的用電量占整個圓盤機用電量的80%左右，所以降低其耗電量是圓盤機節能的關鍵。

3 圓盤機節電原理

在了解圓盤機的工作原理后，我們不難知道 ，圓盤機動作內部有著十分劇烈的突變過程，對機器的沖擊非常大，影響了整個注塑系統的壽命。目前國內制鞋企業中，有大量舊設備，自動化程度低，能耗大。機器一般按最大的生產能力設計，其實在生產時往往用不了那么大的功率。油泵馬達的轉速保持不變，所以輸出功率幾乎也是不變的，生產中存在大馬拉小車的現象。因此造成大量能量浪費。

由于圓盤機特有的主、副機及旋轉式模具的特性，生產時，往往使用到的有效模位沒有那么多，如：TY-322機型，24套模具，有時只用了10幾套，在試機、打樣時用到的模具甚至更少，這就決定了主副機經常處于長時間的待機狀態。副機只有檢測到有效模位時，才執行動作。在圓盤旋轉時，副機不做任何動作，而平時，電機卻仍然一直工作于額定轉速，這時候的高壓溢流部分不僅未作任何有用功，而且產生熱量，造成液壓油發熱，既耗能，又有害。

我們采用圓盤機的無速度傳感器矢量變頻運行技術（參考電氣原理圖），變頻器實時的檢測來自圓盤機電腦板給出的壓力及流量信號，圓盤機壓力或流量信號是0～1A，經內部處理后，輸出不同的頻率，調節馬達轉速，即：輸出功率與壓力和流量同步自動跟蹤控制，相當于定量泵變成了節能型的變量泵，原液壓系統與整機運行所需功率匹配，消除了原系統的高壓溢流能量的損失。可以大大減輕合模、開模的震動，穩定生產工藝、提高產品質量，減少機械故障，延長機器使用壽命，又能夠節約大量的電能。

4 圓盤機節能改造案例

2004年12月，我們協助代理單位。在福建泉州的南龍鞋底廠，安裝了一臺KV2000-Z0220-4T變頻器，經比較，22KW的馬達在工頻的時候，一個小時耗電量是14度，而變頻運行時，一個小時耗電量是5度，小時節電達9度，節電率高達64.3%。當地的電費是0.80元每度，設備按年運行時間8640小時算。年節電率為8640×9×0.8=62208元。下表列舉了部分應用KV2000無速度矢量變頻器技術，在全自動圓盤式塑膠類射出成型機上的節能改造案例，供用戶參考。

序號 公司名稱 安裝時間 裝機數量 平均節電率
1 東莞市塘廈XX鞋材廠 2004.05 86臺 43%
2 深圳龍崗XX鞋底廠 2004.08 8臺 37%
3 泉州市晉江陳埭XX鞋底廠 2005.01 5 64
4 深圳市XX塑膠廠 2004.09 16臺 40%
5 深圳市龍崗坪山碧嶺XX鞋底廠 2003.08 16臺 38%
6 深圳市龍崗坪山碧嶺XX鞋材廠 2004.06 23臺 42%
7 東莞市XX鞋材廠 2004.06 10臺 33%
8 深圳市龍崗龍東XX鞋材廠 2003.07 9臺 36%
9 深圳市龍崗同樂村XX鞋材廠 2004.05 14臺 52%

5 變頻節能注意事項

5.1變頻節能的特點
1)操作簡單，與圓盤機同步運行，不必進行任何調節；
2)高可靠性：保留圓盤機原有控制方式及油路不變；采用市電/節電運行控制方式，以備故障時不影響生產；
3)軟啟動：減輕機器震動，延長設備和模具的使用壽命；有效的減小噪音，改善工作環境；系統發熱明顯減少，油溫穩定；延長密封組件的使用壽命，降低停機維修率，節省大量的維護費用，同時增加變壓器的裝機容量；
4)高回報率：根據工藝不同，所有投資約6～12個月通過電費節省回收。
5.2全自動圓盤式塑膠類射出成型機變頻改造的注意事項
5.2.1變頻器的選型及KV2000無速度傳感器矢量變頻器的特點
有參與過注塑機變頻節能改造的廠家都清楚，用變頻節能后，會出現生產周期延長的現象。節電的同時，不同程度上降低了生產效率。這是因為通用型變頻器，采用傳統V/F控制技術，其啟動時間長，反應速度慢，力矩不夠等造成節電廠家減模，壓力不足的現象。甚至有些為了彌補反應慢的缺陷加大變頻器的容量，造成油泵馬達長期過載，溫升提高或燒毀的現象。選用無速度傳感器矢量變頻器就可以解決上述問題。

科姆龍電氣（亞洲）有限公司，最新推出KV2000系列高性能無速度傳感器矢量變頻器。KV2000系列變頻器是全新一代可以廣泛應用的多功能標準變頻器，使用先進的無速度傳感器矢量(Sensor-Less vector)控制技術，為電機在低速運行時提供更大的轉矩，可自動補償高負載時馬達的轉速變動。良好的動態特性，同時具備超強的過載能力，以滿足廣泛的應用場合。

KV2000無速度傳感器矢量變頻器具有電機參數自動調諧功能，轉速精度高達5‰，低頻轉矩高達150％。

無速度傳感器矢量控制、輸出功率（轉矩）控制、標準V/F控制等三種控制模式。

現代化通訊功能、遠高于傳統通用型變頻器的0～650Hz高輸出頻率、豐富的內置PID功能、獨特的冷卻風扇、專為產業機械設計的近200種控制功能、轉速追蹤功能、獨特的自動可變載波頻率2～16.9KHz。

適用于各種塑料機械、化工紡織、水泵、風機、印刷機、輸送帶、食品包裝機械、金屬加工機械等通用機械的恒轉矩、恒轉速控制。應用KV2000無速度傳感器矢量變頻器，進行節能改造，既可達到高節電率，又保證了原有生產效率及品質不變的要求。

5.2.2變頻器對圓盤機的溫度影響及解決措施

變頻器屬于電力半導體裝置，本身具有高頻干擾與低頻諧波的問題，但是由于有些應用單位技術不夠專業，造成對機器設備控制系統的干擾，特別是對溫度系統的干擾，嚴重的時候，系統將不能正常工作，甚至會出現燒毀設備的現象。改造單位應根據現場環境及設備情況，可以在變頻器的輸出側安裝同等規格的輸出交流電抗器，以有效的濾除變頻器輸出電流中的高次諧波分量，減小因高次諧波引起的電磁干擾。同時改善電流波形，減小電機運行噪音和溫升，提高電動機的運行穩定性。

當出現溫度系統等被干擾時，我們也可以采取比如：降低載波頻率；接專用接地線；調整載波頻率；輸出側加磁環、濾波器、交流輸出電抗器；在原有加熱系統回路加裝同等功率的1：1隔離器等一系列的措施來解決。

5.2.3 電氣保護

KV2000無速度傳感器矢量變頻器具有全領域的保護功能：低電壓、過電壓、過電流保護，防止電機失速、過載、過熱保護等，保證變頻器和電機不受任何損害。

在設計系統時，我們還必須考慮到，市電狀態時對電機的保護。如果直接從節電狀態切換到市電狀態，相當于電機直接啟動，啟動電流是額定電流的4～7倍。對設備和電網的沖擊非常大，同時容易造成接觸器過早的損壞，甚至造成電機的燒毀。

所以建議，在切換時，必須先停止電機（原系統的Y-△裝置），再切換節電裝置，最后再啟動電機。

6 結束語

對多數企業而言，電費是未被企業控制的最后一項成本，人們普遍認為電費開支是難以被控制的，交電費天經地義，因為用電設備消耗多少電，是同其機電特性所決定的，主觀的控制無能為力。很顯然，此觀念是錯誤的。在全國上下用電形勢嚴峻的情況下，作為我們的企業而言，應該注重能源的節約，注重先進節能機制的采取，先進技術的應用，把能耗降到最低，即保護環境又為企業創造經濟效益。實踐證明，通過應用高性能高品質的KV2000無速度傳感器矢量變頻器技術及一系列的技術管理措施，企業至少可以減少20～60%的經營成本。
KV2000無感矢量變頻器在塑料機械上的節能改造技術已在塑膠行業得到廣泛的應用和推廣，該技術為中國的節能事業做出了卓越的貢獻。


信息來源：中國機電企業網